Thursday, May. 28, 2020

Računalno prognoziranje vremena (2)

Autor:

|

26.08.2013

|

Kategorije:

Računalno prognoziranje vremena (2)

U prvoj kolumni na temu računalnog prognoziranja vremena rekli smo što su to numerički modeli za simulaciju atmosfere i naveli neke od češće korištenih softverskih rješenja. Danas ćemo pričati o osnovama. Temeljni pojmovi koji su nužni za razumijevanje rada numeričkih modela bit će razjašnjeni u današnjem nastavku.

 

00z, 06z, 12z, 18z ?

Čudne oznake koje ponekad nazivamo “runovima”, a glase poput 00z ili 12z, zapravo označavaju vremenski termin na temelju kojega je startan prognostički model. Podaci mjerenja sa meteoroloških postaja, visinska mjerenja sa sondi, satelitska mjerenja temperatura i slični podaci, obrađuju se na poseban način i takvi tvore temelj za kreiranje početnog stanja atmosfere u modelu što zovemo inicijalizacijom modela.

Premda se prognostički model može inicijalizirati bilo kojim setom mjerenja, uobičajeno je da se to radi samo u 4 dnevna termina i to onda kad raspoloživih mjerenja ima najviše. To je stoga, jer što više podataka o trenutačnom stanju atmosfere i podloge poznajemo to je vjerodostojnija inicijalizacija modela, odnosno, manje će biti greške simulacije u odnosu na stvarne događaje u atmosferi.

Kratice 4 glavna termina su redom 00z, 06z, 12z i 18z, a odnose se na UTC vrijeme (srednje griničko vrijeme, odnosno zonsko vrijeme zone nula). Kratica “z” (“zulu time”, “zero time”) se uglavnom koristi u meteorologiji za označavanje UTC vremena, kao i često u zrakoplovstvu te ponešto u ratnoj mornarici. UTC vrijeme se od srednjoeuropskog vremena po kojem se mjeri vrijeme i u Hrvatskoj, razlikuje za 1 sat tijekom zimskog, te 2 sata tijekom ljetnog računanja vremena. Tako primjerice, inicijalizacija modela u 00z terminu, znači da je riječ o pokretanju modela na podacima koji su izmjereni u 1 sat u noći (zimsko vrijeme), odnosno 2 sata u noći (ljetno vrijeme).

Osim podatka o vremenu inicijalizacije modela, i prognostički podaci se najčešće odnose na UTC vrijeme. Tako će gotovo redovito podaci na prognostičkim kartama ili dijagramima biti naznačeni UTC terminima, iako se ponekad može naići i na označavanje termina u lokalnom vremenu. Izbjegavanje konverzije iz UTC u lokalno vrijeme uglavnom je uzrokovano sezonskom promjenom iz zimskog u ljetno računanje vremena i obratno, što uvodi konfuziju u praćenje meteoroloških materijala i otežava izradu produkata.

 

Rezolucija modela

Svaki numerički model atmosfere radi na ograničenoj količini podataka u smislu prostorne gustoće. Model ne može simulirati stanje u baš svakoj točki atmosfere jer bi to predstavljalo praktično beskonačno mnogo podataka s kojima model mora baratati. Zbog toga se radi na ograničenom skupu podataka na način da su oni raspoređeni u 3D mrežu koja obavija Zemlju, što često nazivamo grid-om (engl. grid = mreža, rešetka). Pokazat ćemo kakav je  3D grid na primjeru WRF-ARW modela, budući da je njegov grid i nekako najjednostavniji za razumijevanje.

Rezoluciju (razlučivost) modela možemo općenito razmatrati u dva smjera, horizontalnom i vertikalnom. Kod nekih gridova (npr. u NMM modelu) može se definirati i rezolucija u smjeru sjever-jug te istok-zapad, no u te detalje sad nećemo ulaziti. Horizontalna rezolucija modela je jednostavno rečeno, horizontalna udaljenost međusobnih točaka grida u kojima model računa stanje atmosfere. Što je ta udaljenost manja, kažemo da je rezolucija modela veća, odnosno točke modela u prostoru su gušće raspoređene.

Horizontalna mreža točaka WRF-ARW modela; podaci o temperaturi, tlaku, vlažnosti... računaju se u sredini polja (oznaka X), dok se strujanje zraka računa među ćelijama u smjeru istok-zapad ("u-komponenta" vjetra - zelena crtica), odnosno sjever-jug ("v-komponenta" vjetra, crvena strelica).

Horizontalna mreža točaka WRF-ARW modela; podaci o temperaturi, tlaku, vlažnosti… računaju se u sredini polja (oznaka X), dok se strujanje zraka računa među ćelijama u smjeru istok-zapad (“u-komponenta” vjetra – zelena crtica), odnosno sjever-jug (“v-komponenta” vjetra, crvena strelica).

Tako primjerice produkti GFS modela imaju točke međusobno udaljene oko 50 kilometara, što je vrlo mala rezolucija. Između dvije točke međusobno razmaknute 50 kilometara, model nema saznanja što se događa, i zbog toga mnogi atmosferski procesi ostaju nesimulirani.

Konkretno se uzima, da je potrebno da atmosferski fenomen bude svojim dimenzijama barem 4 puta veći nego je rezolucija modela (tj. da pokriva najmanje 4 točke modela u oba smjera), da bi mogao biti koliko-toliko korektno simuliran od strane jednadžbi modela. To znači primjerice, da GFS model sa svojom rezolucijom od 50 kilometara nije u stanju simulirati konvektivne oblake, barem ne bez pomoći određenih “trikova”, dok atmosferske sustave poput ciklona i anticiklona ili globalne planetarne cirkulacije atmosfere, može simulirati bez većih poteškoća. S druge strane, ako želimo imati model koji može ispravno simulirati evoluciju konvektivnog oblaka dimenzija 8×8 kilometara u horizontalnom smjeru, horizontalna rezolucija modela mora biti barem 2×2 kilometra. Srećom, olujni oblaci su uglavnom nešto većih dimenzija, pa se uzima da je oko 4×4 kilometra najčešće dovoljna rezolucija za prognoziranje istih.

Veća rezolucija modela uvijek znači i detaljniju simulaciju atmosfere, a osobito bolju reprezentaciju terena i prilagođavanje svih procesa u atmosferi uz tlo, osobito u slučaju razvijenog terena ili u blizini granica kopna i vodenih površina, gdje je dosta bitno da model barata sa što detaljnijim geografskim podacima. Ipak, veća rezolucija sa sobom donosi neke značajne probleme. U prvom redu zbog toga što model mora računati s mnogo više podataka, vrijeme koje je potrebno za odrađivanje simulacije porastom rezolucije značajno raste. To znači da su potrebni veći računalni resursi, tj. mnogo snažnija i skuplja računala.

Fina rezolucija modela omogućuje simulaciju dnevnog razvoja kumulusne naoblake, primjer prognoze radarske reflektivnosti naoblake pri rezoluciji modela od 800 metara

Fina rezolucija modela omogućuje simulaciju dnevnog razvoja kumulusne naoblake, primjer prognoze radarske reflektivnosti naoblake pri rezoluciji modela od 800 metara

Vertikalna rezolucija modela je međusobna udaljenost točaka modela u vertikalnom smjeru, ali se ona ne izražava u metrima ili kilometrima, jer nije konstantna. Naime, modeli koriste redovito tzv. terrain-following sigma levels, odnosno vertikalne nivoe u modelu koji slijede teren – nad planinama nivoi su podignuti uvis, dok su nad udolinama terena spušteni na manju visinu. Zbog toga međusobna udaljenost nivoa znatno varira od mjesta do mjesta; vertikalni nivoi su međusobno gušći nad višim terenom, a rjeđi nad nižim. Vertikalna rezolucija se jednostavno izražava ukupnim brojem vertikalnih nivoa, npr. 50 je relativno učestali broj. Inače, model ne simulira stanje do vrha atmosfere, već samo do neke određene visine koju nazivamo vrhom modela (model top). Razina od 50hPa (oko 20km visine) je često vrijednost koja se pritom uzima kao posljednji nivo modela.

Rezolucija modela u vertikalnom smjeru određena je ukupnim brojem nivoa od tla do vrha modela, tzv. sigma nivoa. Sigma nivoi prate reljef tla i gušći su nad uzdignutim terenom nego nad nizinama

Rezolucija modela u vertikalnom smjeru određena je ukupnim brojem nivoa od tla do vrha modela, tzv. sigma nivoa. Sigma nivoi prate reljef tla i gušći su nad uzdignutim terenom nego nad nizinama

 

Obrada simuliranih podataka

Zadnja tema za danas se odnosi na obradu podataka koje model simulira i njihovo prikazivanje krajnjem korisniku. Numerički model atmosfere tijekom svojeg računanja simulira ponašanje atmosfere iz trenutka u trenutak u malim vremenskim koracima, tipično reda veličine jedne minute. O tome će biti više riječi u idućim nastavcima, ali za sad recimo samo da se podaci simulacije obično “pospremaju” za naknadno korištenje samo za određene vremenske termine, zaokružene u punim satima. To su opet, najčešće, termini naznačeni UTC vremenom, i mogu imati različite korake, npr. od 1 sata, 3 sata ili neki drugi vremenski korak. Ako spremamo rezultate simulacije modela s korakom od primjerice 3 sata, tad ćemo dobiti rezultate za termine 00z, 03z, 06z, … 21z, tj. 8 dnevnih termina. Vremenski korak od jednog sata dat će ukupno 24 dnevna termina, i slično.

Podaci se spremaju u različitim računalnim formatima. To su npr. netcdf ili grib datoteke, za koje je potreban poseban softver kako bi se mogle pretvoriti u grafičke ili brojčane vrijednosti u smislu distribucije meteoroloških podataka krajnjem korisniku. Primjer vrlo popularnog softvera za taj posao je GrADS. Podaci se krajnjem korisniku mogu prikazati na velik broj različitih načina. To mogu biti meteorološke karte s ucrtanim meteorološkim parametrima za određeni vremenski termin, grafički prikazi promjene meteoroloških parametara tijekom vremena za neku lokaciju (meteogrami), razni vertikalni presjeci atmosfere, termodinamički (skew-t) dijagrami, i slično. Ili, to mogu biti svima razumljive tablice za konkretna mjesta s upisanim prognoziranim vrijednostima temperature, vjetra, oborine… grafičke sličice koje predstavljaju određen tip vremena i slično. Za sve te produkte koriste se kombinacije softvera za dekodiranje netcdf ili grib datoteka i različitih skriptnih jezika te grafičkih programa.

 

 

Komentari

Share This Article

Related News

ANALIZA: Superćelijski oblak pred Splitom (FOTO, VIDEO)
Snažna pijavica pogodila Supetar i načinila veliku materijalnu štetu (FOTO, ANALIZA)
Tople ljetne noći: Fenski učinak bure

O Autoru

Ivan Toman